基于学生发展的高中化学教学实验设计研究_实验设计论文

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      化学实验是人们以化学事物为作用对象的实验活动。根据实验主体和实验目的的差异，可以将化学实验划分为科研类化学实验（化学科学实验）和教学类化学实验（化学教学实验）。化学教学实验设计（以下简称“实验设计”）是指实验者在实施化学实验前，根据一定的化学实验目的和要求，运用化学知识与技能，按照一定的实验方法对实验的原理、仪器、装置、步骤和方法等进行合理安排与规划。

      “实验设计”必须以促进学生化学学科素养发展为出发点和归宿，不仅要考虑实验的基本知识、基本技能、基本方法的习得和培养，还要着眼于学生的科学态度、科学精神和科学品质的发展。进行实验设计时需要根据学校硬软件条件、学生已有的知识技能、实验内容与目标及教师本身的学科素养水平等各种因素[1]。

      一、实验设计的基本内容

      高中化学教学实验设计，在确定实验层次（基础性实验、拓展性实验、探究性实验）、实验主体（学生实验、教师演示实验）和实验类别（实验操作技能实验、性质制备验证实验、主体设计探究实验）的基础上，应对实验从实验名称到说明事项进行整体构思和设计。

      具体而言，一个完整的实验设计项目应包括以下几个方面：实验名称；实验目的；实验原理；实验用品以及装置；实验内容和步骤；实验结果处理；其他说明事项等。

      二、实验设计的目标分析

      实验教学目标既是实验教学的出发点和归宿，也是实验教学测量和评价的基本依据，在实验设计中有着十分重要的地位和作用。实验教学目标是实验设计必须确定的基本内容，包括知识与技能、过程与方法、情感态度价值观（表1）。

      知识技能目标是指有关化学实验原理、实验仪器设备的使用方法、实验现象与结论、实验设计、实验评价等方面的理论知识都属于认知领域的实验目标，有关实验仪器的使用、实验过程中的观察与操作都属于技能领域；过程方法目标是在实验活动中体现出来的，可分为经历、感知等；情感态度价值观目标是实验过程中的动机、兴趣、习惯、态度和品格[2]。

      笔者以“碘水中碘的萃取”为例，对实验教学目标作如下分析。

      1.认知领域的目标层次为“理解”

      能理解碘水中萃取碘的化学原理是物质能从溶解度小的溶剂转移到溶解度大的溶剂中，能正确选择萃取剂，知道萃取是分离和提纯物质的一种重要方法。

      2.技能领域的目标层次为“操作”

      初步学会使用分液漏斗倒转、振荡、放气操作，能用量筒正确量取液体，学会使用静置、分层、放气、放液操作进行萃取和分液，知道下层液体由分液漏斗下方放出，上层液体由分液漏斗上方倒出。

      3.过程与方法目标层次为“感知”

      能准确说明萃取、分液实验操作的基本程序和操作时的注意事项。

      4.情感态度价值观目标层次为“反应”

      在体验萃取操作过程的基础上体验到物质分离方法的多样性以及萃取方法的科学与神奇，认识到实验过程的严谨与规范对实验的重要影响，感受实验中同学们共同实验的乐趣等。实验目标的确定，为实验设计指明了方向、确立了实验设计的重点步骤和关键环节，是进行实验设计的首要问题。

      

      三、实验设计的基本原则

      实验设计是开展实验教学的首要环节，应遵循科学性、选择性、安全性、简约性等基本原则，同时，要体现学生心理特征和认知结构特点等一般要求。除此之外，笔者认为实验设计还应注重体现以下的设计原则。

      1.实验设计要基于现实教学情境的“可行性”和“真实施”

      中学化学实验设计从本质上讲，是课程标准、化学教材“校本化”和“生本化”实施的过程，实验设计的应用价值在于其现实教学情境的“可行性”和“真实施”，绝非简单的静态文本规划。教学实验设计的目的就是将现实情境下教师设计或加工的“静态文本”转化为学生“动态体验”的过程。这种“静态文本”可以是课程标准和教材中已经设计的实验活动，也可以是教师根据实际需要对课程标准和教材中实验的改进和完善，还可以是教师创造性的设计，无论源自何种实验设计，其最终指向都是在教学过程中教师演示或学生的亲自动手操作。这是我们进行化学教学实验设计的基本思想和首要原则。

      2.实验设计要体现“通过实验学习化学”的学科特征

      清华大学宋心琦教授在《化学实验教学改革建议》以及《再谈中学化学实验教学改革（上、下）》的系列文章中提出一个重要观点：“中学化学实验最主要的功能就是——让学生通过实验学习化学；对实验教学的研究不能仅仅停留在对实验装置的改进、对实验条件的探究上，而要研究如何通过实验让学生形成化学的基本观念、学习化学的基本方法、理解科学探究的本质，注重实验过程与教学过程的有机融合。”

      任何一个化学实验都可以归纳为3个要素，一是作为实验对象的物质体系（即化学体系）；二是适当的仪器装置和必要的安全措施；三是合理的实验步骤和规范的操作技术。从学科教育和实验设计的角度而言，最为重要的是实验对象物质体系的选取，仪器装置和实验步骤与操作决定于物质体系的选择，学生化学基本观念、方法和科学探究能力的培养在很大程度上取决于在物质体系选择时的利弊对比和优化调整的思维过程。

      3.实验设计要体现“以实验为基础”的学科教学观

      “以实验为基础”是中学化学教学应坚持的基本观念和指导思想。高中课程标准在“课程的基本理念”部分对“实验”进行了阐述：“通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力。”[3]这足以说明实验对化学教学的重要性。我们不难从中分析出课程标准对实验的定位不仅是激发学生学习兴趣的工具，而且将实验作为体验、强化科学探究过程与意识的重要方式，作为学习方式转变的重要手段，这是学生重要而基础的化学学习方式。

      对“以实验为基础”含义的理解有不同的方式。有学者认为，以实验为基础就是对化学知识的认识、理解和巩固，学生能力的培养等，要力争通过实验去完成[4]。这种观点是将实验单纯理解为一种实践活动，可能在学生的知识、技能的学习中取得一些效果，但是，这种实践活动没有与实验方法论有效结合，很难在培养学生的科学思想观念、方法论等方面达到教学目的。

      另一种观点认为，以实验为基础的“实验”有四重含义。第一重含义是：实验探究活动，即“做实验”，将实验作为一种实践活动，这是从实践是认识基础的角度而言的。第二重含义是：实验方法论，即在实验设计时还要以实验方法论为基础和依据，包括实验方法发展史、实验方法在科学认识中的性质、地位和作用、实验的构成要素及其结构和功能、实验实施的一般程序和所运用的具体科学方法（如测量、测定、实验条件控制、记录、数据和表格处理与图象处理等）。第三重含义是：实验事实，包括学生直接从实验中获得的直接实验事实和间接实验事实。第四重含义是：实验史实，即在实验和教学设计中化学实验史就是运用实验方法论进行实验探究获得化学实验事实的发展史[5]。

      可见，“以实验为基础”并非只有“做实验”才是以实验为基础的，运用实验方法论、实验事实、实验史实开展实验设计同样也是以实验为基础，这也是我们在进行实验设计时应遵循的基本原则。

      4.实验设计要体现实验教学的学科教育功能

      实验的教育功能就是学做人、学做事、学做科学实验、学会思考[6]。所谓学做人就是要学会尊重前人和他人的劳动成果，在小组活动中认真倾听其他成员的建议，重视他们的想法等；学做事就是要根据问题的实际，设计有针对性的解决方案；学做科学实验是指根据实验体系和探究要求选择适当的仪器正确规范操作等；学会思考是指对实验结论和实验现象具有批判精神，善于发现结论的不确定性等。

      中学实验教学的目的并非着眼于化学专业人才的培养，而是着眼于学生未来的长远发展，着眼于他们基本素养的提升。正如扬州大学吴星教授所讲：实验教育功能的挖掘永远比实验改进更重要。实验设计应对接和顺应课程标准所规定的“三维目标”，尤其是要顺应过程方法目标及情感态度价值观目标，在实验设计之初将过程方法渗透到实验设计的相关环节和内容中，将学会交往、独立思考、勤于思考、善于总结、乐于实践等情感态度方面的内容作为实验设计的重要目标有机地融合到实验中，这比简单追求知识技能目标的达成更为重要。

      四、实验设计的基本策略

      化学实验设计是一项创新活动，其设计策略没有固定的模式，从不同的角度和层面进行实验设计时，其策略和方法也是不相同的，曾有学者对实验改进和创新提出了6个方面的策略[7]。它包括依据教学中实验问题的策略；依据反应原理的策略；探索最佳反应条件的策略；实验装置的改进策略；实验操作过程优化的策略；创造性思维的策略。这些策略主要是从实验方法选择、实验装置改进、实验条件选择、实验操作优化的层面等对实验设计的具体方法进行了分析和阐述，这也是实验设计应掌握的重要方法和手段。此外，笔者认为实验设计还应从更宏观的层面立意，彰显实验设计的价值。

      1.注重教材实验的二次设计

      教材实验在设计时常将普适性作为其重点考虑的内容，实验更多考虑的是在常态条件下一般学校都应有实施的环境、条件、师资等各方面的基础，能确保实验正常进行。由于各方面原因，可能导致教材实验的药品、装置或其他条件不能完全满足实验的开设，对此，教师应因地制宜，灵活采取各种临时性和补救性的措施，确保实验等同实施，这种临时性和补救性的过程就是教材实验二次设计的过程。此外，由于学校层次、学生基础的差异，同样的教材实验在实施时可以由验证性实验二次设计为探究性实验，或者由探究性实验改为验证性实验，也可将常规仪器实验改进设计为数字化实验和微型实验等不同的形式，以满足不同学校、学生的不同发展要求。实验二次设计就是实验的本土化、校本化、生本化过程，也是形成实验教学特色的过程。

      例如，在高中化学（必修1）中，硝酸的氧化性常采用实验教学法引导学生学习，其中稀硝酸与铜的反应现象明显、速率快、操作简单，教师依据实际情况进行了如下方案的实验设计。

      方案1：在教室内进行学生分组的随堂实验，学生在亲自操作中进一步练习药品的取用、基本实验操作、实验现象的观察、实验结束后的仪器药品的整理等，通过对实验现象的感性观察和认识理解稀硝酸的强氧化性。

      方案2：在实验室进行学生分组实验时，考虑到产生的一氧化氮污染教室内的空气，不利于学生的健康和环境保护，将稀硝酸与铜以及硫酸的性质实验整合为一节在实验室内进行的实验探究课。这种处理方法更符合新课程的基本理念以及师生的健康要求。

      方案3：考虑反应产生的一氧化氮污染空气影响师生健康，部分农村学校化学实验室缺少通风设备，教师对实验进行改进，在密闭系统中进行该反应，并及时进行尾气处理。

      方案4：将铜与稀硝酸实验设计为微型封闭实验，使每一个学生能亲自进行实验操作、分析观察实验，避免了有毒气体危害师生健康，是一种较为理想的实验设计方案。

      2.注重化学体系设计

      化学体系设计是化学实验设计中的核心要素，化学体系的筛选、对比、优化的过程就是化学实验能力和素质培养和提升的过程。

      

      3.注重科学素养的精准培养

      化学实验设计既要考虑具体化学知识、化学原理的探究或验证，又要考虑在实验过程中科学方法的设计与训练，并将这些方法融合到实验的过程中，使学生在运用这些方法的同时，巩固化学科学知识与原理的学习。

      美国科学促进会明确规定学生应掌握的14种基本科学方法：观察、测量、应用数值、分类、应用时空关系、交流、推理、预测、解释数据、建立模型、下定义、建立假说、控制条件、实验[8]。中国学者提出“科学探究”作为科学素养的核心，并将完整的科学探究过程设定为：提出问题——猜想与假设——制订计划——进行实验——收集证据——解释与结论——反思与评价——表达与交流。学生在科学探究以及自然运用方法的过程中，学会了与同伴交流讨论，学会了尊重他人的意见和想法，体会到化学实验的美妙、严谨和科学，从而提高自身的科学素养。

      实验设计的价值在于真正在教学中实施，在于师生在亲身经历、体验和感受实验过程中物质体系发生化学变化时的奇特现象，产生对实验现象观察的愉悦情感和进行实验的兴趣与动机。实验实施的过程就是对实验设计领悟、内化的过程，更是实验设计价值凸显的过程。只有“真实施”的实验设计才具有生命力，哪怕学生实施的过程可能还很粗糙和不完善，但学生获得的情感体验和实践动手能力是“静态文本”的讲授所无法实现的。因此，实验设计要基于“可行性”和“真实施”；要体现“通过实验学习化学”“以实验为基础”的观点，充分发挥实验的教育功能。

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